CN111486002A - 一种四冲程内燃机活塞冲程位置标定方法 - Google Patents

Abstract

一种四冲程内燃机活塞冲程位置标定方法。提供一种四冲程内燃机的电控系统标定活塞冲程位置的方法，通过传感器检测四冲程内燃机曲轴上的一个单齿形信号盘的信号，电控系统测量信号的时间间隔，通过对比两个相邻信号的时间间隔，标定检测到信号时刻，活塞所处的冲程位置；替代了采用传感器采集凸轮轴或喷油泵轴上的单齿形信号盘的信号、或气缸检测仪，来确定四冲程内燃机活塞冲程位置。

Description

一种四冲程内燃机活塞冲程位置标定方法

技术领域

本发明涉及一种四冲程内燃机活塞冲程位置标定的方法，尤其涉及一种应用于四冲程内燃机电控系统对活塞冲程位置的算法。

背景技术

公知的四冲程内燃机电控系统，例如四冲程内燃机电控燃油喷射系统，为了确定喷油启始时刻，需要标定活塞的冲程位置；通常在四冲程内燃机凸轮轴或喷油泵轴上安装单齿形信号盘，以及测量该信号的电磁传感器，或安装专用的气缸检测仪，由传感器或气缸检测仪给电控系统提供四冲程内燃机活塞冲程位置信号；凸轮轴与喷油泵轴均处于四冲程内燃机的内部，在凸轮轴、喷油泵轴上安装信号盘，并将电磁传感器伸入到四冲程内燃机内部测量信号，或安装专用的气缸检测仪，会使得四冲程内燃机结构复杂，成本增加。

发明内容

为了克服四冲程内燃机电控系统标定活塞冲程位置的方法所存在结构复杂、成本高的不足，本发明提供一种四冲程内燃机活塞冲程位置标定方法，通过传感器检测四冲程内燃机曲轴上的一个单点信号，标定活塞冲程位置，代替采用电磁传感器采集凸轮轴或喷油泵轴上的单齿形信号盘的信号、或气缸检测仪，来标定四冲程内燃机活塞冲程位置的方案。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：根据四冲程内燃机工作原理，曲轴每旋转两圈，活塞在气缸中做四次直线往复运动，完成一个工作循环；每个往复运动称为一个冲程，分别完成进气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程，四个冲程完成一个工作循环，曲轴旋转二圈，凸轮轴、油泵轴旋转一圈。四冲程内燃机每一个工作循环，其中只有一个是做功冲程，其余三个都是做功冲程的辅助冲程，是消耗功的。由于曲轴旋转运动在做功冲程时是加速的，其它三个冲程是减速的，因此，四冲程内燃机的瞬时工作转速不平稳；本方法就是通过四冲程内燃机工作转速的不均匀性，通过测量转速去标定活塞冲程位置。由于四冲程内燃机的工作转速不均匀性是有害的，通过将多只气缸并联组成多缸机，提高了工作转速的均匀性，故测量多缸机工作转速的不均匀性难度会大幅增加，本发明能准确标定单缸四冲程内燃机和双缸四冲程内燃机活塞冲程位置。

在四冲程内燃机的曲轴上设置一个单齿形信号盘，在四冲程内燃机上固定有传感器I，传感器I与单齿形信号盘配对，单齿形信号盘随曲轴旋转时，传感器1感应到单齿形信号。当四冲程内燃机1缸活塞处于上止点位置时，传感器I与信号齿之间的夹角为α，α值小于180°，从活塞处于上止点位置开始，信号齿随曲轴沿曲轴旋转方向转α度，如果信号齿与传感器I相对，那么传感器I测得信号时，活塞处于上止点后α度曲轴转角，α值记为“-”；反之，从活塞处于上止点位置开始，信号齿随曲轴沿曲轴旋转反方向转α度，如果信号齿与传感器I相对，那么传感器I测得信号时，活塞处于上止点前α度，α值记为“+”。四冲程内燃机工作时，传感器I传输给电控系统的单齿形信号，定义为信号S，两次信号S的间隔时间，定义为时间t，根据时间t计算出的转速，定义为转速n；电控系统程序将每二个相临的信号S分别记为S0和S1，这样一串连续记录的信号为S0、S1、S0、S1、S0、S1、S0、S1……顺序排列，对应的时间t也分别标记为t0、t1、t0、t1、t0、t1、t0、t1……顺序排列，对应的转速n也分别标记为n0、n1、n0、n1、n0、n1、n0、n1……顺序排列。根据四冲程内燃机工作原理，一个工作循环，曲轴旋转二圈，故一个循环中电控系统会分别收到一个信号S0和一个信号S1，收到信号S0、信号S1时刻活塞所处的冲程位置不同，但在一串连续记录的信号S中，所有的信号S0时刻活塞所处的冲程位置相同，所有的信号S1时刻活塞所处的冲程位置相同。

电控系统标定活塞冲程位置，即确定电控系统接收到信号S0、信号S1时刻，四冲程内燃机活塞所处的冲程位置；对比n0与n1值，或者对比t0与t1值的大小，如果n0值大于n1值，则对应的t0小于t1值，测得信号S0时刻，四冲程内燃机活塞处于距排气上止点α度曲轴转角位置，α值为“+”，是排气上止点前α度，α值为“-”，是排气上止点后α度，测得信号S1时刻，四冲程内燃机活塞处于距压缩上止点α度曲轴转角位置；反之，t0大于t1值，测得信号S0时刻，四冲程内燃机活塞处于距压缩上止点α度曲轴转角位置，测得信号S1时刻，四冲程内燃机活塞处于距排气上止点α度曲轴转角位置。对于多缸四冲程内燃机，由于其各缸之间的运动关系是固定的，确定了某一缸的活塞冲程位置，其它各缸的活塞冲程位置就可以直接计算得知，这样就成功标定了信号S与四冲程内燃机活塞所处冲程位置的关系；电控系统每次开机工作时，先对信号S进行标定，将标定结果存储进电控系统，供控制逻辑调用。α值的选取，应尽量使两个相临的时间t值的差值较大，这样有利于标定，对于单缸四冲程内燃机，合适的α值范围在0°到-90°之间；对于直列双缸四冲程内燃机，合适的α值范围在0°到+90°之间；对于直角V形双缸四冲程内燃机，合适的α值范围在-45°到+45°之间。

通过上述方法，确定了测得每个信号S时，活塞所处的冲程位置，电控系统实际工作中，通常将活塞冲程位置信号也作为命令信号；本发明中，由于α值的选取是根据标定活塞冲程位置的需要来确定的，信号S作为标定信号，不一定能同时作为四程冲内燃机电控系统的命令信号。解决这一问题，有多种方案可供选择，方案一，将单齿信号盘改为一个缺一齿的多齿信号盘，将该缺一齿的多齿信号盘的启始齿的位置，对应到原单齿信号盘的单齿位置上，传感器I与缺一齿的多齿信号盘配对，传感器I检测的启始齿信号作为标定信号，其它齿信号作为电控系统的命令信号，电控系统根椐其它各齿与启始齿的位置关系，计算出测得各齿信号时，四冲程内燃机活塞所处的冲程位置；方案二，增加一个传感器II，传感器II也与单齿信号盘配对，传感器I的信号作为标定信号，传感器II信号作为电控系统的命令信号，根据电控系统的控制逻辑的要求，确定传感器II与单齿信号盘上的信号齿之间的安装角度，电控系统根据传感器I与传感器II之间的位置关系，计算出传感器II测得信号时，四冲程内燃机活塞所处的冲程位置；方案三，增加一个传感器II和一个多齿信号盘，传感器I与单齿信号盘配对，传感器II与多齿信号盘配对，传感器I的信号作为标定信号，传感器II的信号作为电控系统的命令信号；电控系统根据传感器II测得多齿信号盘上各齿信号时的位置，与传感器I测得单齿信号时的位置关系，计算出传感器II测得各齿信号时，四冲程内燃机活塞所处的冲程位置。

本发明的有益效果是，电控系统通过传感器检测四冲程内燃机曲轴上的一个单点信号，通过标定运算，确定四冲程内燃机活塞冲程位置；替代了现有电控系统采用电磁传感器采集凸轮轴或喷油泵轴上单齿形信号盘的信号，或安装气缸检测仪，来确定四冲程内燃机活塞冲程位置，从而简化了四冲程内燃机的结构，降低了成本。

附图说明

下面结合附图和实施例对本方法进一步说明。

图1是内燃机结构剖面示意图。

图2是信号S的检测机构示意图。

图3是单缸四冲程内燃机瞬时转速、角加速度、信号S与曲轴转角关系示意图。

图4是直列双缸四冲程内燃机瞬时转速、信号S与曲轴转角关系示意图。

图5是直角V形双缸四冲程内燃机瞬时转速、信号S与曲轴转角关系示意图。

图6是信号S标定方法示意图。

图7是传感器、信号盘安装结构方案1示意图。

图8是传感器、信号盘安装结构方案2示意图。

图9是传感器、信号盘安装结构方案3示意图。

图中1.气缸盖，2.活塞，3.气缸体，4.连杆，5.曲轴，6.飞轮，7.四冲程内燃机，8.单齿形信号盘，9.传感器I，10.传感器II，11.多齿形信号盘，12.缺一齿的多齿形信号盘。

具体实施方式

在图1中，气缸盖(1)、活塞(2)、气缸体(3)围成气缸工作容积，活塞(2)处于上止点时，气缸工作容积处于最小值，活塞(2)处于下止点时，气缸工作容积处于最大值；曲轴(5)与连杆(4)组成曲柄连杆机构，通过曲柄连杆机构将活塞(2)往复运动转化成曲轴(5)的旋转运动，活塞(2)的每个往复运动称为一个冲程，四冲程内燃机一个工作循环，分为四个冲程，分别为：进气冲程，活塞(2)由上止点运动到下止点，气缸中吸进新鲜空气；压缩冲程，活塞(2)由下止点运动到上止点，将新鲜空气进行压缩；做功冲程，活塞(2)由上止点运动到下止点，燃烧的空气膨胀做功；和排气冲程，活塞(2)由下止点运动到上止点，将燃烧后的废气排出气缸。四冲程内燃机每完成一个工作循环，其中只有一个冲程是做功冲程，其余三个冲程都是做功冲程的辅助冲程，是消耗功的，这就造成了瞬时工作转速的不均匀性。由于每个冲程的作用是不同的，四冲程内燃机的电控系统需要有不同的动作反应，例如在压缩上止点前20度曲轴转角时开始喷射燃油，而在排气上止点前20度曲轴转角时就不要喷射燃油，所以必须识别四冲程内燃机活塞(2)的冲程位置；完成一个工作循环过程，凸轮轴、油泵轴旋转一圈，所以凸轮轴、油泵轴转角与活塞冲程位置具有一一对应的关系，现有电控系统通过在凸轮轴或油泵轴上设立一个单齿信号盘，来确定检测到信号时活塞所处的冲程位置。

在图2所示实施例中，四冲程内燃机的1缸活塞(2)处于压缩上止点状态，单齿信号盘(8)安装在曲轴(5)上，通常直接在飞轮(6)圆周上刻一个槽，作为单齿信号盘(8)；传感器I(9)安装在四冲程内燃机(7)上，传感器I(9)与单齿信号盘(8)配对，随着单齿形信号盘(8)转动，传感器I(9)感应到单齿形信号；当四冲程内燃机工作时，单齿信号盘(8)随曲轴(5)一起转动，信号齿经过传感器I(9)时，传感器I(9)就会输出一个电压信号，本案中取电压信号的上升沿作为电控系统的标定信号，记为信号S。四冲程内燃机的1缸活塞(2)处于上止点状态时，传感器I(9)与单齿信号盘(8)上信号齿的夹角为α度，α值小于180°，如果信号齿随曲轴(5)沿曲轴旋转方向转α度，信号齿与传感器I(9)相对，那么传感器I(9)测得信号S时，活塞(2)处于上止点后α度曲轴转角，α值记为“-”；反之，如果信号齿随曲轴(5)沿曲轴旋转反方向转α度，信号齿与传感器I(9)相对，那么传感器I(9)测得信号S时，活塞(2)处于上止点前α度，α值记为“+”。

在图3所示实施例中，对于单缸四冲程内燃机，其工作转速、曲轴角加速度、传感器I(9)的信号S、活塞冲程位置、与曲轴转角之间的关系，横坐标为曲轴转角。四冲程内燃机一个工作循环，曲轴旋转二圈，转角为720°，活塞压缩上止点时对应的曲轴转角设为0°，那么活塞做功下止点、排气上止点、进气下止点分别对应的曲轴转角为180°、360°、540°，曲轴转角0～180°为做功冲程，曲轴转角180～360°为排气冲程，曲轴转角360～540°为进气冲程，曲轴转角540～720°为压缩冲程。在做功冲程中，曲轴角加速度为正，是一个加速过程，瞬时转速在压缩上止点后50°左右时，被加速到平均转速之上，在做功冲程末期瞬时转速达到最高，在其它三个冲程时，单缸四冲程内燃机的曲轴角加速度为负，其瞬时转速一直降低，并在进气冲程的前期会降到平均转速之下。传感器I(9)在曲轴每转一圈测得一个信号S，人为将每二个相临的信号S分别记为S0和S1，将两个信号S间隔的曲轴转角记为h，人为将每二个相临的曲轴转角h分别记为h0和h1；信号S与上止点线之间的夹角为α，通过调整α角可以使瞬时转速高于平均转速的范围主要落在h0区间，瞬时转速低于平均转速的范围主要落在h1区间，如此，在h0区间的转速会高于h1区间的转速；故为了保证h0区间的转速会高于h1区间的转速，α角较佳的范围在上止点后0～90°曲轴转角，即α值范围0～-90°。

在图4所示实施例中，对于直列双缸四冲程内燃机，其工作转速、传感器I(9)的信号S与曲轴转角之间的关系，横坐标为曲轴转角，1缸活塞压缩上止点时对应的曲轴转角设为0°。瞬时转速较高的区间主要落在-60～330°曲轴转角范围里，瞬时转速较低的区间主要落在330～660°曲轴转角范围里。α角的范围在1缸上止点前0～90°曲轴转角，瞬时转速高于平均转速的范围主要落在h0区间，瞬时转速低于平均转速的范围主要落在h1区间，如此，在h0区间的转速会高于h1区间的转速；故为了保证h0区间的转速会高于h1区间的转速，α值范围0～90°。

在图5所示实施例中，对于直角V形双缸四冲程内燃机，其工作转速、传感器I(9)的信号S与曲轴转角之间的关系，横坐标为曲轴转角，1缸活塞压缩上止点时对应的曲轴转角设为0°。瞬时转速较高的区间主要落在50～310°曲轴转角范围里，瞬时转速较低的区间主要落在310～530°曲轴转角范围里。α角的范围在1缸上止点前45°～上止点后45°曲轴转角，瞬时转速高于平均转速的范围主要落在h0区间，瞬时转速低于平均转速的范围主要落在h1区间，如此，在h0区间的转速会高于h1区间的转速；为了保证h0区间的转速会高于h1区间的转速，α值范围-45～45°。

在图6所示实施例中，四冲程内燃工作时，传感器I(9)测得信号S，电控系统测量记录的信号间隔时间t，根据间隔时间t计算出的转速n，与时间横坐标的关系。电控系统程序将每二个相临的信号S分别记为S0和S1，这样一串连续记录的信号为S0、S1、S0、S1、S0、S1、S0、S1……顺序排列，对应的间隔时间t也分别标记为t0、t1、t0、t1、t0、t1、t0、t1……顺序排列，对应的转速也分别标记为n0、n1、n0、n1、n0、n1、n0、n1……顺序排列。电控系统标定活塞冲程位置，确定电控系统接收到信号S0、信号S1时刻，四冲程内燃机活塞所处的冲程位置；对比t0与t1值，如果t0小于t1值，测得信号S0时刻，四冲程内燃机活塞处于距排气上止点α度曲轴转角位置，α值为“+”，是排气上止点前α度，α值为“-”，是排气上止点后α度，测得信号S1时刻，四冲程内燃机活塞处于距压缩上止点α度曲轴转角位置；反之，t0大于t1值，测得信号S0时刻，四冲程内燃机活塞处于距压缩上止点α度曲轴转角位置，测得信号S1时刻，四冲程内燃机活塞处于距排气上止点α度曲轴转角位置。由于电控系统在标定时，四冲程内燃机的工作可能存在异常情况，为了提高标定的确定性，可以取一组t0之和与等数量的t1之和进行对比；可以直接对比t值，也可以通过对比转速n或频率，从而间接对比t值；标定信号S后应进行验证确认无错误，就完成了信号S的标定过程，之后，当电控系统每检到一个信号S0或信号S1就知道当前的活塞对应的冲程位置，从而进行相应的控制操作。

在图7所示实施例中，四冲程内燃机的1缸活塞(2)处于压缩上止点状态，传感器I(9)安装在四冲程内燃机(7)上，缺少一齿的多齿信号盘(12)安装在曲轴(5)上，缺少一齿的多齿信号盘(12)的启始齿与传感器I(9)的夹角为α度，电控系统根据计算程序，识别启始齿，并将启始齿信号作为标定信号，其它齿的信号用于电控系统的命令信号；电控系统根据各信号齿与启始齿之间的位置关系，计算出传感器I(9)测得各齿信号时，四冲程内燃机活塞所处的冲程位置，控制逻辑确定在何位置时，执行相关控制命令。

在图8所示实施例中，四冲程内燃机的1缸活塞(2)处于压缩上止点状态，单齿信号盘(8)安装在曲轴(5)上；传感器I(9)、传感器II(10)安装在四冲程内燃机(7)上，它们都与单齿信号盘(8)配对，传感器I(9)与单齿信号盘(8)上信号齿的夹角为α度，根据电控系统的控制逻辑的要求，确定传感器II(10)与单齿信号盘(8)上信号齿的安装角度；传感器I(9)的信号用于标定活塞冲程位置，传感器II(10)的信号作为电控系统的命令信号；电控系统根据传感器I(9)与传感器II(10)之间的位置关系，计算出传感器II(10)测得命令信号时，四冲程内燃机活塞所处的冲程位置，确定是否执行相关控制命令。

在图9所示实施例中，四冲程内燃机的1缸活塞(2)处于压缩上止点状态，单齿信号盘(8)、多齿信号盘(11)并列安装在曲轴(5)上；传感器I(9)、传感器II(10)安装在四冲程内燃机(7)上，传感器I(9)与单齿信号盘(8)配对，传感器I(9)与单齿信号盘(8)上信号齿的夹角为α度，传感器II(10)与多齿信号盘(11)配对，根据电控系统控制逻辑的要求，确定传感器II(10)与多齿信号盘(11)的安装位置关系；传感器I(9)的信号用于标定活塞冲程位置，传感器II(10)的信号作为电控系统的命令信号；电控系统根据传感器II(10)测得多齿信号盘(11)上各齿信号时的位置，与传感器I(9)测得单齿信号盘(8)信号时的位置关系，计算出传感器II(10)测得各齿信号时，四冲程内燃机活塞所处的冲程位置，控制逻辑确定在何位置时，执行相关控制命令。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则和精神之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种四冲程内燃机活塞冲程位置标定方法，包含四冲程内燃机、四冲程内燃机电控系统、信号盘、传感器组成，其特征是：电控系统通过传感器测得安装在四冲程内燃机曲轴上的信号盘的单点信号，电控系统对该信号的间隔时间进行对比计算，标定测得每一个信号时刻，四冲程内燃机活塞所处的冲程位置。

2.根据权利要求1所述的四冲程内燃机活塞冲程位置标定方法，其特征是：信号盘不在四冲程内燃机的凸轮轴或油泵轴上，而是在四冲程内燃机的曲轴上。

3.根据权利要求1所述的四冲程内燃机活塞冲程位置标定方法，其特征是：安装在四冲程内燃机上的传感器I与安装在曲轴上的一个单齿信号盘配对，单齿信号盘随曲轴旋转一圈，伟感器I感应到一个单齿形信号S；四冲程内燃机的1缸活塞处于压缩上止点状态时，传感器I与单齿信号盘上信号齿的夹角为α度。

4.根据权利要求3所述的四冲程内燃机活塞冲程位置标定方法，其特征是：对单缸四冲程内燃机，α角的范围0～-90°；对直列双缸四冲程内燃机，α角的范围0～90°；对直角V形双缸四冲程内燃机，α角的范围-45～+45°。

5.根据权利要求3所述的四冲程内燃机活塞冲程位置标定方法，其特征是：当传感器I检测得到的标定信号S，不能同时作为四程冲内燃机电控系统的命令信号时，根据实际情况，有多种方案可供选择，方案一，将单齿信号盘改为一个缺一齿的多齿信号盘，传感器I与缺一齿的多齿信号盘配对，传感器I检测的启始齿信号作为标定信号，其它齿信号作为电控系统的命令信号；方案二，增加一个传感器II，传感器II也与单齿信号盘配对，传感器I的信号作为标定信号，传感器II信号作为电控系统的命令信号；方案三，增加一个传感器II和一个多齿信号盘，传感器II与多齿信号盘配对，传感器I的信号作为标定信号，传感器II的信号作为电控系统的命令信号。

6.根据权利要求3所述的四冲程内燃机活塞冲程位置标定方法，其特征是：电控系统程序将每二个相临的信号S分别记为S0和S1，这样一串连续记录的信号为S0、S1、S0、S1、S0、S1、S0、S1……顺序排列，对应的间隔时间t也分别标记为t0、t1、t0、t1、t0、t1、t0、t1……顺序排列；对比t0与t1值，如果t0小于t1值，测得信号S0时刻，四冲程内燃机活塞处于距排气上止点α度曲轴转角位置，测得信号S1时刻，四冲程内燃机活塞处于距压缩上止点α度曲轴转角位置；反之，t0大于t1值，测得信号S0时刻，四冲程内燃机活塞处于距压缩上止点α度曲轴转角位置，测得信号S1时刻，四冲程内燃机活塞处于距排气上止点α度曲轴转角位置。

7.根据权利要求6所述的四冲程内燃机活塞冲程位置标定方法，其特征是：为了提高标定活塞冲程位置的确定性，可以取一组t0之和与等数量的t1之和进行对比；可以直接对比t值，也可以通过对比转速n或频率，从而间接对比t值。

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